元素選擇性填佔對含第六族元素(硫、硒、碲)固態化合物熱電性質的影響

Abstract

本計畫的主要目的為合成具有高熱電優值(Figure of Merit, ZT = σS2/κ ; T = temperature; S = Seebeck coefficient; σ = electrical conductivity; κ = thermal conductivity) 的新穎固態化合 物，並對其結構, 物理與化學性質做詳細的解析。這些材料在未來的能源相關的元件，例如 微型發電機與無聲冷/熱循環器具有相當高的潛力。固態化合物具有高熱電優值需要具備低電 阻，低導熱度與高Seebeck 係數。最近的文獻指出半導體材料包含元素週期表上的重元素有 可能具有優異的熱電優值。由於新化合物的結構，組成與物性均無法正確掌握，因此本計畫 將使用理論計算與實驗相互運用，期望能瞭解固態材料的結構與物性的關係，進而提高材料 的熱電優值。初步將尋找具混合填佔的固態化合物的電子結構做基礎研究，使用電子組態的 理論計算(Extended Huckel type)探討其原子位置的相對密力根的總數(relative Mulliken population)與物理性質的關係，並進一步推測新的實驗方向去合成具有特殊的性質的新熱電 材料。主要著眼的目標將針對四與五元素系統的固態化合物。具體研究方向包含以下兩個主 要系統: 1)T-M1-M2-X 與2) M1-M2-M3-X。其中T 為過渡金屬元素；M1、M2 與M3 為第三 至第五族元素；X 為第六族元素(S、Se、Te)。在實驗的部份將從本實驗室先前所合成之化合 物為基礎，針對可能的3 元以及4 元的固態系統做有系統的研究。在實驗的過程將以元素與 二元化合物為起始反應物、利用 1) 真空高溫合成(Tmax = 1050 °C)；2) 在Ar 的環境下以高 溫電弧合成 (Tmax~2000 °C)；或以 3) 融熔化的鹽類做為溶液在真空、較低的溫度下反應 (Tmax~ 600 °C)，使假設的反應進行並產生預期的固態化合物。所合成之化合物將進行晶體結 構分析；熱分析(TG/DTA)；元素分析(SEM/TEM/EDS)；反射光譜(UVVIS，IR)，磁性、導 電、導熱與熱電性質(Seebeck coefficient)的測量以決定是否為好的熱電材料。